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JP5839135B2 - Spherical optical system and imaging device - Google Patents

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JP5839135B2 JP2015073750A JP2015073750A JP5839135B2 JP 5839135 B2 JP5839135 B2 JP 5839135B2 JP 2015073750 A JP2015073750 A JP 2015073750A JP 2015073750 A JP2015073750 A JP 2015073750A JP 5839135 B2 JP5839135 B2 JP 5839135B2
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Description

この発明は、全天球型光学系及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an omnidirectional optical system and an imaging apparatus .

全天球を「一度に撮像」する撮像システムとして、広角レンズを複数使用したものが知られている。この種の撮像システムに用いられる広角レンズは、通常の平面撮像用の撮像レンズと異なり「レンズ中心とレンズ周辺部で倍率比が異なる」ことが多い。   2. Description of the Related Art An imaging system that uses a plurality of wide-angle lenses is known as an imaging system that “images the entire celestial sphere”. A wide-angle lens used in this type of imaging system is often “different in the magnification ratio between the lens center and the lens periphery”, unlike an imaging lens for normal planar imaging.

従来から知られた広角レンズを用いて、小型で「全天球に亘って画質が均一」である撮像システムを構築する場合には、広角レンズの「レンズ中心に比して結像性能が落ちやすいレンズ周縁部での画質劣化」を補うため、周縁部での結像倍率を「レンズ中心に比べ高く」する必要がある。   When constructing a compact imaging system with “uniform image quality over the entire celestial sphere” using a known wide-angle lens, the imaging performance of the wide-angle lens is lower than that of the lens center. In order to compensate for “degradation of image quality easily at the periphery of the lens”, it is necessary to make the imaging magnification at the periphery “higher than the center of the lens”.

一般に、レンズ中心に比べレンズ周辺の倍率が大きいレンズ系、即ち、単位画角あたりの倍率が単調増加するレンズ系の方が「レンズ系全長としては短い」ことが知られているが、レンズ系を構成するレンズの肉厚が薄くなるため、レンズの加工性が悪くなる。
レンズの加工性を考慮したレンズでは、上記とは逆に「レンズ中心に比してレンズ周縁部での倍率が低く」なりやすく、周縁部での結像倍率を「レンズ中心に比べ高く」しようとすると、レンズ系全長が長くなり易い。
In general, it is known that a lens system in which the magnification around the lens is larger than the center of the lens, that is, a lens system in which the magnification per unit angle of view monotonously increases is “short as the total length of the lens system”. Since the thickness of the lens constituting the lens is reduced, the processability of the lens is deteriorated.
Contrary to the above, with a lens that takes into account the processability of the lens, the “magnification at the lens periphery is low compared to the lens center”, and the imaging magnification at the periphery is “higher than the lens center”. Then, the total length of the lens system tends to be long.

広角レンズとしての「魚眼レンズ」の投射方式を「立体投射方式」に近づけることにより、画像周辺での倍率を高めることが特許文献1に開示されている。   Patent Document 1 discloses that the magnification at the periphery of an image is increased by bringing the projection method of a “fisheye lens” as a wide-angle lens close to the “stereoscopic projection method”.

この発明は、全撮像範囲に亘って均質な画質の像を撮像できる新規な撮像装置と、これに用いる新規な全天球型光学系の実現を課題とする。 An object of the present invention is to realize a novel imaging apparatus capable of capturing an image with uniform image quality over the entire imaging range, and a novel omnidirectional optical system used therefor.

この発明の撮像システムは「複数の撮像光学系を組み合わせて有する撮像システム」であって、以下の如き特徴を有する。   The imaging system according to the present invention is an “imaging system having a combination of a plurality of imaging optical systems” and has the following characteristics.

撮像光学系は「結像光学系と固体撮像素子を1個ずつ」組み合わせて構成される。   The imaging optical system is configured by combining “one imaging optical system and one solid-state imaging device”.

「固体撮像素子」は受光領域が面積エリアをなす「2次元の固体撮像素子」であり、組み合わせられる結像光学系により集光された光を画像信号に変換する。   The “solid-state imaging device” is a “two-dimensional solid-state imaging device” in which a light receiving region forms an area area, and converts light collected by an imaging optical system to be combined into an image signal.

「結像光学系」は、撮像対象の像を固体撮像素子の受光領域に結像させる。この結像光学系は「nを2以上の自然数として360/nより大きい全画角:A(度)」を持つ。   The “imaging optical system” forms an image to be imaged on the light receiving region of the solid-state image sensor. This imaging optical system has “a total angle of view greater than 360 / n: A (degrees)” where n is a natural number of 2 or more.

そして、単位画角あたりの倍率が「画角:0(度)から360/n(度)までは単調増加し、画角:360/n(度)を超えてから全画角:A(度)までは、上記倍率の増加率が単調減少」する。即ち、結像光学系は「単位画角あたりの倍率」が、このような特性を持つように設計・製造される。   The magnification per unit angle of view is “monotonically increasing from angle of view: 0 (degrees) to 360 / n (degrees), and after exceeding the angle of view: 360 / n (degrees), the total angle of view: A (degrees). ), The rate of increase of the magnification decreases monotonously. That is, the imaging optical system is designed and manufactured so that the “magnification per unit angle of view” has such characteristics.

画角:360/n(度)を超えてから全画角:A(度)までは「単位画角あたりの倍率の増加率が単調減少」するので、画角が360/n(度)を超えてから全画角:A(度)までの領域では「単位画角あたりの倍率」の様子は以下のようになる。   Since the angle of view exceeds 360 / n (degrees) until the total angle of view: A (degrees), “the rate of increase in magnification per unit angle of view decreases monotonously”, so the angle of view is 360 / n (degrees). In the region from exceeding the total angle of view: A (degrees), the “magnification per unit angle of view” is as follows.

即ち、360/n(度)までの倍率の増加に比して、増加の程度が小さくなる「緩い増加」状態、あるいは、一定状態(360/n度における単位画角あたりの倍率の値を維持する)、あるいは倍率が「単調減少」する状態となる。   In other words, compared to an increase in magnification up to 360 / n (degrees), the “gradual increase” state where the degree of increase is small, or a constant state (maintenance value per unit angle of view at 360 / n degrees is maintained. Or the magnification is “monotonically decreasing”.

なお、単位画角あたりの倍率が、画角と共に単調増加する投射方式は「立体投射方式」である。従って、上記結像光学系は、「画角:0(度)から360/n(度)までは立体投射方式」であり、それより大きい画角領域では「単位画角あたりの倍率の変化」の状態が、緩い増加状態、あるいは変化しない一定、もしくは単調減少状態になるのである。   The projection method in which the magnification per unit angle of view increases monotonously with the angle of view is the “stereoscopic projection method”. Therefore, the image forming optical system is “stereoscopic projection from angle of view: 0 (degree) to 360 / n (degree)”, and “change in magnification per unit angle of view” in a larger angle of view area. The state becomes a slowly increasing state or a constant or monotonously decreasing state that does not change.

本発明の全天球型光学系によれば、全天球型光学系を構成する広角レンズの周辺部分に「容易に加工できる厚み」を確保しつつ、全画角に渡って立体投射方式を実現する場合に比して、結像光学系の設計・製造が容易で、安価に製造できる。 According to the omnidirectional optical system of the present invention, the 3D projection method can be applied over the entire angle of view while ensuring “a thickness that can be easily processed” in the peripheral portion of the wide-angle lens constituting the omnidirectional optical system. Compared to realization, the imaging optical system can be designed and manufactured easily and can be manufactured at low cost.

請求項1に記載の全天球型光学系は、全画角:Aが180度より大きい結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する2次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を、2個組み合わせ、4πラジアンの立体角内の撮像対象の撮像を行なう全天球型の撮像装置とすることができる(請求項2)。 Omnidirectional type optical system according to claim 1, full angle of view: A is 180 degrees greater than the imaging optical system, a two-dimensional converting the light condensed by the imaging optical system into an image signal A combination of two imaging optical systems configured with a solid-state imaging device can be used as an omnidirectional imaging apparatus that captures an imaging target within a solid angle of 4π radians.

上記のように、この発明によれば新規な全天球型光学系と全天球型撮像装置を実現できる。全天球型光学系を構成する結像光学系は、単位画角辺りの倍率が「結像レンズの全画角に渡って単調増加する」のではなく、画角:360/nをこえる画角領域では「緩い増加、もしくは一定、または単調減少」するので、広角レンズの周辺部分に「容易に加工できる厚み」を確保しつつ、全画角に渡って立体投射方式を実現する場合に比して、結像光学系の設計・製造が容易で、安価に製造できる。従って、このような結像光学系を用いる全天球型撮像装置を安価に実現できる。 As described above, according to the present invention, a novel omnidirectional optical system and omnidirectional imaging device can be realized. The image forming optical system constituting the omnidirectional optical system does not have the magnification per unit angle of view “monotonically increasing over the entire angle of view of the image forming lens” but an image exceeding the angle of view: 360 / n. In the corner area, “slow increase, constant, or monotonous decrease”. Compared to the case where the stereoscopic projection system is realized over the entire angle of view while ensuring “thickness that can be easily processed” in the peripheral part of the wide-angle lens. Thus, the imaging optical system can be easily designed and manufactured, and can be manufactured at low cost. Therefore, an omnidirectional imaging device using such an imaging optical system can be realized at low cost.

全天球型撮像システムにおいて、2つの撮像光学系を組み合わせた1例を示す図である。It is a figure which shows an example which combined two imaging optical systems in the omnidirectional imaging system. 結像光学系である広角レンズの1実施例の球面収差図である。It is a spherical aberration diagram of one embodiment of a wide-angle lens that is an imaging optical system. 広角レンズの実施例の像面湾曲図である。It is a field curvature figure of the Example of a wide angle lens. 広角レンズの実施例のコマ収差図である。It is a coma aberration figure of the Example of a wide angle lens. 広角レンズの実施例のMTF特性図である。It is a MTF characteristic figure of the Example of a wide angle lens. 広角レンズの実施例のMTF特性図である。It is a MTF characteristic figure of the Example of a wide angle lens. 広角レンズの実施例の単位画角あたりの倍率の変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the magnification per unit field angle of the Example of a wide angle lens. 広角レンズの実施例の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the Example of a wide angle lens. 全天球型撮像システムの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an omnidirectional imaging system. 全天球型撮像システムの実施の別形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another form of implementation of an omnidirectional imaging system.

以下、実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments will be described.

図9は、発明の1実施形態として、2つの広角レンズを用いる全天球型の撮像システムの1例を示している。   FIG. 9 shows an example of an omnidirectional imaging system using two wide-angle lenses as one embodiment of the invention.

この例では「2つの結像光学系」として、2つの広角レンズWLA、WLBを組み合わせて、全天球の情報を撮像できるようにしている。広角レンズWLA、WLBは「同一仕様のもの」であり、それぞれの光軸が合致するようにして、互いに逆向きに組み合わせられている。   In this example, two wide-angle lenses WLA and WLB are combined as “two imaging optical systems” so that information on the omnidirectional sphere can be imaged. The wide-angle lenses WLA and WLB are “of the same specification” and are combined in opposite directions so that their optical axes match.

広角レンズWLAの撮像する画像は、2次元の固体撮像素子SNAの受光面上に結像し、広角レンズWLBの撮像する画像は、2次元の固体撮像素子SNBの受光面上に結像する。これら固体撮像素子SNA、SNBは、受光した光分布を「画像信号」に変換して、画像処理手段2に入力させる。   The image picked up by the wide-angle lens WLA is formed on the light receiving surface of the two-dimensional solid-state image pickup device SNA, and the image picked up by the wide-angle lens WLB is formed on the light receiving surface of the two-dimensional solid-state image pickup device SNB. These solid-state imaging devices SNA and SNB convert the received light distribution into “image signals” and input them to the image processing means 2.

画像処理手段2は、固体撮像素子SNAとSNBからの画像信号を、1つの画像に合成して「立体角:4πラジアンの画像(以下「全天球画像」と呼ぶ。)」とし、ディスプレイや印刷装置等の出力手段3に向けて出力し、出力手段は全天球画像を出力する。   The image processing means 2 combines the image signals from the solid-state imaging devices SNA and SNB into one image to obtain a “solid angle: 4π radians image (hereinafter referred to as“ global image ”)”, a display, The image is output to the output unit 3 such as a printing apparatus, and the output unit outputs an omnidirectional image.

広角レンズWLA、WLBにおいて、n=2であり、これら広角レンズWLA、WLBは「180(=360/2)度を超える画角:A(度)」を有している。   In the wide-angle lenses WLA and WLB, n = 2, and these wide-angle lenses WLA and WLB have an angle of view exceeding 180 (= 360/2) degrees: A (degrees).

広角レンズWLA、WLBは「単位画角あたりの倍率」が、画角:0(度)から180(=360/2)度までの間において単調増加し、画角:180度から全画角:A度までは上記倍率の増加率が単調減少するように構成されている。   The wide-angle lenses WLA and WLB monotonically increase in “magnification per unit angle of view” between the angle of view: 0 (degrees) to 180 (= 360/2) degrees, and the angle of view: 180 degrees to the total angle of view: Up to A degrees, the increase rate of the magnification is monotonously decreased.

このような「単位画角あたりの倍率」の変化の特性の技術的意義を説明する。   The technical significance of such a change characteristic of “magnification per unit angle of view” will be described.

固体撮像素子SNAやSNBのような「2次元の固体撮像素子」では、その受光面に、極微小な受光領域が相互に分離して、「均一な高い密度」で2次元的に配列している。個々の微小な受光領域で光電変換される情報が「画像情報の画素情報」を構成する。   In a “two-dimensional solid-state image pickup device” such as the solid-state image pickup device SNA or SNB, extremely small light receiving regions are separated from each other on the light receiving surface, and are two-dimensionally arranged with “uniform high density”. Yes. Information that is photoelectrically converted in each minute light receiving area constitutes “pixel information of image information”.

広角レンズWLA、WLBは、その光軸が「対応する固体撮像素子の受光領域の中心部に直交して位置する」ように、また、受光領域が「対応する広角レンズの結像面となる」ように、固体撮像素子SNA、SNBに対する位置関係を定められている。   The wide-angle lenses WLA and WLB have their optical axes “positioned perpendicular to the center of the light-receiving area of the corresponding solid-state imaging device”, and the light-receiving area “is the imaging surface of the corresponding wide-angle lens”. As described above, the positional relationship with respect to the solid-state imaging devices SNA and SNB is determined.

ところで、結像レンズの結像性能は一般的に、結像面上で光軸から離れるに従い、空間的な解像度(MTF)が低下し、また像の明るさも減少する。   By the way, the imaging performance of the imaging lens generally decreases as the spatial resolution (MTF) decreases and the brightness of the image decreases as the distance from the optical axis increases on the imaging surface.

「結像面上で光軸から離れるに従い、空間的な解像度(MTF)が低下し、像の明るさが減少する」ことは、受光領域の周辺部に行く程「同一の大きさの受光領域部分」に与えられる画像情報が「貧弱化」することを意味する。   “The spatial resolution (MTF) decreases as the distance from the optical axis on the image plane decreases, and the brightness of the image decreases.” This means that the image information given to “part” is “poor”.

このような「画像情報の貧弱化」を補償するためには、受光領域の周辺部に向かうにつれて「結像倍率」を増加させるようにすればよい。即ち、周辺部で結像倍率が増大すると、「一定の画像情報」を受光する受光面上の面積が、広角レンズの光軸を離れるに従い、増大するので「一定の画像情報を受光する画素数」が増大し、上記「画像情報の貧弱化」を補償できることになる。   In order to compensate for such “deterioration of image information”, the “imaging magnification” may be increased toward the periphery of the light receiving region. That is, when the imaging magnification increases at the peripheral portion, the area on the light receiving surface that receives “constant image information” increases as the distance from the optical axis of the wide-angle lens increases. ”Increases, and the above“ deterioration of image information ”can be compensated.

図9に示した「全天球型の撮像システム」に用いる結像光学系(広角レンズWLA、WLB)は、上記の如く「単位画角あたりの倍率」が、180度を超える全画角:Aのうち、画角:0度(光軸)から180度までの間においては単調増加し、画角:180度から全画角:A度までは「倍率の増加率が単調減少する」ように構成される。   The imaging optical system (wide-angle lenses WLA and WLB) used in the “omnidirectional imaging system” shown in FIG. 9 has a full field angle in which “magnification per unit field angle” exceeds 180 degrees as described above: Of A, the angle of view increases monotonically from 0 degrees (optical axis) to 180 degrees, and the angle of magnification increases from 180 degrees to the total angle of view: A degrees. Configured.

即ち、画角:180度から全画角:A度までは、単位画角あたりの倍率は「180度までの増加率よりも低い増加率の緩やかな増加」あるいは、「180度における単位画角あたりの倍率を維持する一定倍率」、または「単調な減少」の状態となる。   That is, from the angle of view: 180 degrees to the total angle of view: A degrees, the magnification per unit angle of view is “a moderate increase with an increase rate lower than the increase rate up to 180 degrees” or “unit angle of view at 180 degrees. It becomes a state of “a constant magnification for maintaining the magnification per hit” or “a monotonous decrease”.

以下では、説明の具体性のため、画角:180度から全画角:A度までの「単位画角あたりの倍率」が「180度における単位画角あたりの倍率を略維持する一定倍率」であるとする。   In the following, for the sake of concreteness of description, the “magnification per unit angle of view” from the angle of view: 180 degrees to the total angle of view: A degrees is “a constant magnification that substantially maintains the magnification per unit angle of view at 180 degrees”. Suppose that

仮に、広角レンズWLA、WLBを単独で用いるのであれば「単位画角あたりの倍率」を、0度から全画角:A度に至る全画角領域で「全画角:A度に向かって単調増加」させることが好ましい。   If the wide-angle lenses WLA and WLB are used alone, the “magnification per unit angle of view” is set to “all angles of view: toward A degree” in the entire angle of view range from 0 degrees to the entire angle of view: A degrees. It is preferable to increase monotonously.

図9を参照すると、広角レンズWLAとWLBとは、図の如く組み合わせられている。   Referring to FIG. 9, the wide angle lenses WLA and WLB are combined as shown.

図9において、符号「a1」は、広角レンズWLAの最も物体側のレンズ面の頂点であり、符号「c1」は、広角レンズWLBの最も物体側のレンズ面の頂点である。   In FIG. 9, the symbol “a1” is the vertex of the lens surface closest to the object side of the wide-angle lens WLA, and the symbol “c1” is the vertex of the lens surface closest to the object side of the wide-angle lens WLB.

広角レンズWLA、WLBに最大画角で入射する「入射光束」は、図9に示すb1点、d1点で「相互に交差」する。広角レンズWLA、WLBの対物側のレンズ頂点a1、c1から、点b1とd1を通る平面との距離は、図に示す距離:R1である。
また、レンズ頂点a1、c1を結ぶ直線(広角レンズWLA、WLBの光軸)と、点b1、d1までの距離は、図に示す距離:L1である。
The “incident light beams” incident on the wide-angle lenses WLA and WLB at the maximum angle of view “cross each other” at points b1 and d1 shown in FIG. The distance from the lens apexes a1 and c1 on the objective side of the wide-angle lenses WLA and WLB to the plane passing through the points b1 and d1 is the distance R1 shown in the figure.
The distance between the straight line connecting the lens vertices a1 and c1 (the optical axes of the wide-angle lenses WLA and WLB) and the points b1 and d1 is the distance L1 shown in the figure.

図9において、広角レンズWLAに入射する最大画角光束は、対物側のレンズ頂点a1を頂点とする「円錐状」であり、広角レンズWLBに入射する最大画角光束も、対物側のレンズ頂点c1を頂点とする「円錐状」である。   In FIG. 9, the maximum field angle light beam incident on the wide angle lens WLA has a “conical shape” with the objective lens apex a1 as the apex, and the maximum field angle light beam incident on the wide angle lens WLB is also the object side lens apex. It is “conical” with c1 as the apex.

そして、これら2つの円錐面(底面半径:L1、高さ:R1)が、レンズ光軸を共通にして組み合わせられた「2つの円錐面に囲繞された空間部分(図9において、点a1、b1、c1、d1を結ぶ平行四辺形を、点a1、c1を結ぶ直線の周りに回転して得られる空間形状の内部)」は「撮像されない空間領域」である。   Then, these two conical surfaces (bottom radius: L1, height: R1) are combined with a common lens optical axis “a space part surrounded by two conical surfaces (in FIG. 9, points a1 and b1). , C1 and d1, the inside of the spatial shape obtained by rotating the parallelogram around the straight line connecting the points a1 and c1) is a “space area not imaged”.

さて、広角レンズWLA、WLBの「画角:180度を越える部分」に入射する入射光束は、図9において、点b1とd1を含む平面内で互いに交わり、画角:Aで入射する光線は、点b1、d1を直径とする円周上で交わる。   Now, in FIG. 9, the incident light beams incident on the “field angle: a portion exceeding 180 degrees” of the wide-angle lenses WLA and WLB intersect with each other in the plane including the points b1 and d1, and the light rays incident at the angle of view A are , Points b1 and d1 intersect on a circumference having a diameter.

従って、広角レンズWLA、WLBの結像光束のうち「画角:180度から全画角:Aまでの間の画角の光束」は、固体撮像素子SNA、SNBの双方に共通して結像することになる。
即ち、固体撮像素子SNAに、広角レンズWLAにより結像された画像のうち「画角:180度〜A度までの光束」が結像する画像部分(「IA」と呼ぶ。)と、固体撮像素子SNBに、広角レンズWLBにより結像された画像のうち「画角:180度〜A度までの光束」が結像する画像部分(「IB」と呼ぶ。)とは、同一画像である。
Accordingly, among the imaging light beams of the wide-angle lenses WLA and WLB, the “light beam having an angle of view between 180 degrees to the full field angle A” is imaged in common to both the solid-state imaging devices SNA and SNB. Will do.
That is, of the image formed by the wide-angle lens WLA on the solid-state image pickup device SNA, an image portion (referred to as “IA”) where an “angle of view: a luminous flux from 180 degrees to A degrees” is formed, and solid-state image pickup. An image portion (referred to as “IB”) on which an “angle of view: a luminous flux from 180 degrees to A degrees” forms an image on the element SNB by the wide-angle lens WLB is the same image.

従って、固体撮像素子SNA、SNBからの画像信号を画像合成して、全天球画像を生成する際、固体撮像素子SNAが受光した画像部分IAと、固体撮像素子SNBが受光した画像部分IBとが同一であるから、これら画像部分IAとIBとを用いれば、同一の画像部分に対して「2倍の情報量」が得られる。
即ち、2つの広角レンズと固体撮像素子を用いることにより、180度を超える画角領域の画像に対しては「受光面積」が増えたのと同様の結果になり、これは単位画角当たりの倍率が増大したのと同じである。
Accordingly, when the image signals from the solid-state imaging devices SNA and SNB are combined to generate an omnidirectional image, the image portion IA received by the solid-state imaging device SNA and the image portion IB received by the solid-state imaging device SNB Therefore, if these image portions IA and IB are used, “double the amount of information” can be obtained for the same image portion.
In other words, by using two wide-angle lenses and a solid-state imaging device, the “light receiving area” is increased for an image in an angle of view region exceeding 180 degrees, which is the same per unit angle of view. It is the same as increasing the magnification.

従って、広角レンズWLA、WLBにおける単位画角あたりの倍率が、画角:180度を越える部分において「単調増加せずに略一定」となっていても、これらの画角部分での2倍の情報量を用いることができるので、180度までの画角に対する画像に比して遜色のない画像を得ることができる。   Therefore, even if the magnification per unit angle of view in the wide-angle lenses WLA and WLB is “substantially constant without increasing monotonously” in the portion where the angle of view exceeds 180 degrees, it is twice as large as that in these portions. Since the amount of information can be used, it is possible to obtain an image that is inferior to an image with an angle of view up to 180 degrees.

即ち、広角レンズWLA、WLBの画像が「重複するレンズ周辺部分」についてのみ、単位画角辺りの倍率の増加率を下げることで、レンズ加工に必要な肉厚を確保しつつ、必要以上にレンズ全長が長くなることを防いでいる。   In other words, only for the “peripheral lens peripheral part” where the images of the wide-angle lenses WLA and WLB are reduced, by reducing the magnification increase rate around the unit angle of view, the lens is more than necessary while ensuring the thickness necessary for lens processing. Prevents the total length from becoming longer.

上に説明した例では、広角レンズWLA、WLBにおける単位画角あたりの倍率を、180度を超える部分については略一定であるとしたが、上記画像部分IA、IBの情報を併せて利用できるので、上記倍率を一定とする場合に限らず、180度を超える画角領域において、単位画角あたりの倍率が、緩やかに増加する場合は勿論、「単調に減少」するようにしても、十分な情報量補償が可能であり「全天球に亘って均質な画質の全天球画像」を撮像できる。   In the example described above, the magnification per unit angle of view in the wide-angle lenses WLA and WLB is substantially constant for portions exceeding 180 degrees, but the information on the image portions IA and IB can be used together. Not only in the case where the magnification is constant, it is sufficient that the magnification per unit angle of view gradually increases in a field angle region exceeding 180 degrees as well as “monotonically decreases”. The amount of information can be compensated, and “a omnidirectional image with uniform image quality over the entire celestial sphere” can be captured.

また、上記画像部分IAとIBとは「同一画像」であるから、固体撮像素子SNA、SNBから出力される画像信号を合成して「全天球画像」を構成する際、これら画像部分IA、IBを「同一像を表す基準データ」として「画像繋ぎ合わせの参考」とする。   In addition, since the image portions IA and IB are “same images”, when composing an image signal output from the solid-state imaging devices SNA and SNB to form an “omnidirectional image”, these image portions IA, Let IB be “reference data representing the same image” and “reference for image joining”.

上に説明した例では、広角レンズWLA、WLBの「単位画角あたりの倍率」について説明したが、広角レンズWLA、WLBの上記特性を「像高と画角との関係」で特定することもできる。   In the example described above, the “magnification per unit angle of view” of the wide-angle lenses WLA and WLB has been described. However, the above characteristics of the wide-angle lenses WLA and WLB may be specified by “relationship between image height and angle of view”. it can.

即ち、像高:Yの、画角:θによる微分:dY/dθは、単位画角あたりの像高の変化の割合であり「単位画角あたりの倍率の変化」と対応関係にある。   That is, the differential of image height: Y by angle of view: θ: dY / dθ is the rate of change in image height per unit angle of view, and has a corresponding relationship with “change in magnification per unit angle of view”.

画角が180度より大きくなり、単位画角あたりの「倍率の増加率」が単調減少して、倍率が「緩やかに増加、もしくは一定、または単調減少」するようになると、微分:dY/dθは急激に減少する。   When the angle of view becomes larger than 180 degrees, the “magnification increase rate” per unit angle of view decreases monotonically, and the magnification becomes “slowly increasing, constant, or monotonically decreasing”, differentiation: dY / dθ Decreases rapidly.

微分:dY/dθは、前述の条件:
(1) 43.3≧dY/dθ≧0.007[mm/deg]
を満足することが好ましい。
Differentiation: dY / dθ is the aforementioned condition:
(1) 43.3 ≧ dY / dθ ≧ 0.007 [mm / deg]
Is preferably satisfied.

画角が180度より大きくなり、単位画角あたりの倍率の増加率が、単調減少する領域で、急激に減少した微分:dY/dθが、下限値の0.007mm/degを下回ると、部分画像IA、IBが「圧縮されすぎた画像」となり、画像合成の際の参考とされる「基準データ」として不十分になる。   In a region where the angle of view is greater than 180 degrees and the rate of increase in magnification per unit angle of view decreases monotonously, the difference rapidly decreases: dY / dθ falls below the lower limit of 0.007 mm / deg. The images IA and IB become “over-compressed images”, which are insufficient as “reference data” that is used as a reference in image synthesis.

また、上限は「固体撮像素子の受光面のサイズ」による制限である。固体撮像素子として現在市販されているもので受光面サイズの最大は、35mmフルサイズであり、このサイズを考慮すると、上限値の43.3を超えた場合には、適応できる受光面サイズを持った固体撮像素子を得ることができない。   Further, the upper limit is a limit due to “the size of the light receiving surface of the solid-state imaging device”. The maximum size of the light-receiving surface that is currently marketed as a solid-state image sensor is 35 mm full size. If this size is taken into consideration, the light-receiving surface size that can be adapted is exceeded if the upper limit of 43.3 is exceeded. A solid-state imaging device cannot be obtained.

このように条件(1)の上限は、固体撮像素子の受光面サイズにより規制されるものであるから、将来「より大きな受光面サイズ」をもった固体撮像素子が実現されれば、条件(1)の上限値を、より大きく設定することも可能となる。   Thus, the upper limit of the condition (1) is regulated by the size of the light receiving surface of the solid-state imaging device. Therefore, if a solid-state imaging device having a “larger light receiving surface size” is realized in the future, the condition (1) ) Can be set larger.

上に説明した例は、一般的な場合に敷衍できる。   The example described above can be used in general cases.

即ち、nを2以上の自然数として360/nより大きい全画角:A(度)を持ち、「単位画角あたりの倍率が、画角:0から360/n(度)までの間において単調増加し、画角:360/n(度)から全画角:A(度)までは、画角の増加率が単調減少する結像光学系と、この結像光学系により集光された光を画像信号に変換する2次元の固体撮像素子とにより構成される撮像光学系を、n個以上組み合わせて有する撮像システムを構成することができる。   That is, n is a natural number greater than or equal to 2 and has a total angle of view greater than 360 / n: A (degrees), and “the magnification per unit angle of view is monotonous between 0 and 360 / n (degrees). An imaging optical system in which the angle of view increases monotonously from the angle of view: 360 / n (degrees) to the total angle of view: A (degrees), and the light condensed by the imaging optical system An image pickup system having a combination of n or more image pickup optical systems including a two-dimensional solid-state image pickup element that converts a signal into an image signal can be configured.

また、結像光学系の像高:Yの画角:θによる微分:dY/dθは、条件:
(1) 43.3≧dY/dθ≧0.007[mm/deg]
を満たすことが好ましい。
Further, the image height of the imaging optical system: the angle of view of Y: the differentiation by θ: dY / dθ is the condition:
(1) 43.3 ≧ dY / dθ ≧ 0.007 [mm / deg]
It is preferable to satisfy.

例えば、360度/3=120度より大きい画角:A(例えば140度)を持つ広角レンズ(結像光学系)を3個、同一平面内で放射状に配設し、各々に固体撮像素子を組み合わせて撮像システムを構成すると、360度の水平パノラマ画像を撮像できる。   For example, three wide-angle lenses (imaging optical system) having an angle of view greater than 360 degrees / 3 = 120 degrees: A (for example, 140 degrees) are arranged radially in the same plane, and a solid-state image sensor is provided for each. When combined to form an imaging system, a 360-degree horizontal panoramic image can be captured.

この場合に得られる画像は「全天球画像」ではないが、このような水平パノラマ画像を撮像できる撮像システムは、車載カメラや防犯カメラとして良好に実施できる。   The image obtained in this case is not a “spherical image”, but such an imaging system that can capture a horizontal panoramic image can be favorably implemented as an in-vehicle camera or a security camera.

上記画角:A=140度を持つ広角レンズを4個、空間的に放射状とし、正4面体型に組み合わせて全天球型撮像システムとすれば、立体角:2πラジアンの全天球画像を撮像できる。   If the four-angle wide angle lens having the angle of view: A = 140 degrees is spatially radial and combined with a regular tetrahedron to form an omnidirectional imaging system, an omnidirectional image of solid angle: 2π radians can be obtained. Can be imaged.

あるいは、360度/4=90度より大きい画角:A(例えば100度)の広角レンズを4個、同一平面内で放射状に配設し、各々に固体撮像素子を組み合わせて撮像システムを構成すると、360度の水平パノラマ画像を撮像でき、このような広角レンズと固体撮像素子の組み合わせによる撮像光学系を8個、空間内で放射状とし、正8面体型に組み合わせて全天球型の撮像システムとし、立体角:2πラジアンの全天球画像を撮像できる。   Alternatively, when an imaging system is configured by arranging four wide-angle lenses having an angle of view larger than 360 degrees / 4 = 90 degrees: A (for example, 100 degrees) radially in the same plane, and combining solid-state imaging elements with each of them. 360-degree horizontal panoramic image can be picked up. Eight image pickup optical systems by combining such a wide-angle lens and a solid-state image pickup device are radial in space, and combined with a regular octahedron type, an omnidirectional image pickup system And an omnidirectional image with a solid angle of 2π radians can be captured.

図10は、全天球型撮像システムの別の実施の形態を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing another embodiment of the omnidirectional imaging system.

この例では「2つの結像光学系」として、2つの広角レンズWLC、WLDを組み合わせて、全天球の情報を撮像できるようにしている。広角レンズWLC、WLDは、同一仕様のものであり、それぞれの光軸が合致するようにして、互いに逆向きに組み合わせられている。   In this example, two wide-angle lenses WLC and WLD are combined as “two imaging optical systems” so that information of the omnidirectional sphere can be imaged. The wide-angle lenses WLC and WLD have the same specifications, and are combined in opposite directions so that their optical axes match.

広角レンズWLCの撮像する画像は、2次元の固体撮像素子SNCの受光面上に結像し、広角レンズWLDの撮像する画像は、2次元の固体撮像素子SNDの受光面上に結像する。これら固体撮像素子SNC、SNDは、受光した光分布を「画像信号」に変換して、画像処理手段2に入力させる。   The image picked up by the wide-angle lens WLC is formed on the light receiving surface of the two-dimensional solid-state image pickup device SNC, and the image picked up by the wide-angle lens WLD is formed on the light receiving surface of the two-dimensional solid-state image pickup device SND. These solid-state imaging devices SNC and SND convert the received light distribution into “image signals” and input them to the image processing means 2.

画像処理手段2は、固体撮像素子SNCとSNDからの画像信号を1つの画像に合成し、立体角:4πラジアンの全天球画像とし、ディスプレイや印刷装置等の出力手段3に向けて出力し、出力手段は全天球画像を出力する。   The image processing means 2 combines the image signals from the solid-state image pickup devices SNC and SND into one image and outputs it to the output means 3 such as a display or a printing device as a omnidirectional image with a solid angle of 4π radians. The output means outputs a spherical image.

広角レンズWLC、WLDは、光学的機能の面では、先に説明した広角レンズWLA、WLBと同様であり、180(=360/2)度を超える画角:A度を有している。   The wide-angle lenses WLC and WLD are similar to the wide-angle lenses WLA and WLB described above in terms of optical functions, and have an angle of view: A degree exceeding 180 (= 360/2) degrees.

また、「単位画角あたりの倍率」が、画角:0度から180度までの間において単調増加し、画角:180度から全画角:A度までは「倍率の増加率が単調減少」して、略一定するように構成され、像高:Yの画角:θによる微分:dY/dθは、条件(1)を満足する。   In addition, the “magnification per unit angle of view” increases monotonically between the angle of view: 0 degrees to 180 degrees, and the magnification rate increases monotonously from the angle of view: 180 degrees to the full angle of view: A degrees. The image height: Y angle of view: differentiation by θ: dY / dθ satisfies the condition (1).

図10において、符号「a2」は、広角レンズWLCの最も物体側のレンズ面の頂点であり、符号「c2」は、広角レンズWLDの最も物体側のレンズ面の頂点である。   In FIG. 10, the symbol “a2” is the vertex of the lens surface closest to the object side of the wide-angle lens WLC, and the symbol “c2” is the vertex of the lens surface closest to the object side of the wide-angle lens WLD.

広角レンズWLC、WLDに入射する「入射光束」は、図に示すb2点、d2点で「相互に交差」し、広角レンズWLC、WLDの対物側のレンズ頂点a2、c2から、点b2とd2を通る平面との距離は、図に示す距離:R2である。
また、レンズ頂点a2、c2を結ぶ直線(広角レンズWLC、WLDの物体側光軸)と、点b2、d2までの距離は、図に示す距離:L2である。
The “incident light beams” incident on the wide-angle lenses WLC and WLD “cross each other” at the points b2 and d2 shown in the figure, and the points b2 and d2 from the lens vertices a2 and c2 on the objective side of the wide-angle lenses WLC and WLD. The distance from the plane passing through is a distance R2 shown in the figure.
The distance between the straight line connecting the lens vertices a2 and c2 (the object-side optical axes of the wide-angle lenses WLC and WLD) and the points b2 and d2 is the distance L2 shown in the figure.

広角レンズWLCに入射する最大画角光束は、対物側のレンズ頂点a2を頂点とする円錐状であり、広角レンズWLDに入射する最大画角光束も、対物側のレンズ頂点c2を頂点とする円錐状である。   The maximum field angle light beam incident on the wide-angle lens WLC has a conical shape having the objective-side lens apex a2 as a vertex, and the maximum field-angle light beam incident on the wide-angle lens WLD is also a cone having the objective-side lens vertex c2 as a vertex. Is.

これら2つの円錐面(底面半径:L2、高さ:R2)が、物体側光軸を共通にして組み合わせられた「点a2、b2、c2、d2を結ぶ平行四辺形を、点a2、c2を結ぶ直線の周りに回転して得られる空間形状の内部」は「撮像されない空間領域」である。   These two conical surfaces (bottom radius: L2, height: R2) are combined with a common object-side optical axis. A parallelogram connecting points a2, b2, c2, and d2, points a2 and c2. The “inside of a spatial shape obtained by rotating around a connecting straight line” is a “space area that is not imaged”.

図10の実施の形態を、図9の実施の形態と比較すると、L2<L1、R2<R1であり、図10の実施の形態においては「撮像されない空間領域」が、図9のものよりも小さくなっている。   When the embodiment of FIG. 10 is compared with the embodiment of FIG. 9, L2 <L1 and R2 <R1, and in the embodiment of FIG. 10, the “space area not imaged” is more than that of FIG. It is getting smaller.

即ち、図10の全天球型の撮像システムでは、図9のものよりも「より近接した領域」までの全天球画像を撮像可能になっている。   That is, the omnidirectional imaging system shown in FIG. 10 can capture omnidirectional images up to “closer regions” than those shown in FIG.

これは、図10の全天球型の撮像システムでは、結像光学系である広角レンズWLC、WLDが、物体側の第1レンズ群(負の屈折力を持つ)と、像側の第2レンズ群(正の屈折力を持つ)とにより構成され、第1レンズ群が「第2レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材」を有しており、レンズ内で光路を90度屈曲させたことにより、広角レンズWLCの第1レンズ群の最も対物側のレンズ面の頂点a2と、広角レンズWLDの第1レンズ群の最も対物側のレンズ面の頂点c2との間の距離(=2R2)が、図9における2R1よりも「狭まった」ことによる。   This is because, in the omnidirectional imaging system of FIG. 10, the wide-angle lenses WLC and WLD, which are imaging optical systems, include a first lens group (having negative refractive power) on the object side and a second lens on the image side. The first lens group includes a “reflecting member that bends the optical path toward the second lens group”, and the optical path is bent 90 degrees within the lens. Thus, the distance (= 2R2) between the vertex a2 of the lens surface closest to the objective side of the first lens group of the wide-angle lens WLC and the vertex c2 of the lens surface closest to the objective side of the first lens group of the wide-angle lens WLD. ) Is “narrower” than 2R1 in FIG.

このように、各撮像光学系の結像光学系である広角レンズWLC、WLDが、物体側に配置された負の第1レンズ群と、像側に配置された正の第2レンズ群によりなり、第1レンズ群が、第2レンズ群に向かって光路を屈曲させる反射部材を有することにより、全天球型撮像システムの撮像部分を小型化できると共に、「より近接した領域」までの全天球画像を得ることが可能である。   As described above, the wide-angle lenses WLC and WLD, which are the imaging optical systems of the respective imaging optical systems, include the negative first lens group disposed on the object side and the positive second lens group disposed on the image side. Since the first lens group has a reflecting member that bends the optical path toward the second lens group, the imaging portion of the omnidirectional imaging system can be reduced in size, and the entire sky up to the “closer area” can be reduced. A spherical image can be obtained.

以下、具体的な例に基づき説明する。
図1は、全天球型の撮像システムの、実施の他の形態における要部を説明図的に示す図である。
Hereinafter, a description will be given based on specific examples.
FIG. 1 is a diagram illustratively showing a main part of another embodiment of an omnidirectional imaging system.

図1において、符号A、Bで示す部分は「撮像光学系」を示している。   In FIG. 1, the portions indicated by reference signs A and B indicate “imaging optical systems”.

2個の撮像光学系A、Bは何れも「180度より広い画角を持つ広角レンズ(結像光学系)と、この広角レンズによる像を撮像する撮像センサと」により構成されている。撮像センサは「2次元の固体撮像素子」である。   Each of the two imaging optical systems A and B is constituted by “a wide-angle lens (imaging optical system) having an angle of view wider than 180 degrees and an imaging sensor that captures an image by the wide-angle lens”. The imaging sensor is a “two-dimensional solid-state imaging device”.

撮像光学系Aの広角レンズは、レンズLA1〜LA3により構成される「前群」、反射部材を構成する直角プリズムPA、レンズLA4〜LA7により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズLA4の物体側に開口絞りSAが配置されている。   The wide-angle lens of the imaging optical system A includes a “front group” configured by lenses LA1 to LA3, a right-angle prism PA that configures a reflecting member, and a “rear group” configured by lenses LA4 to LA7. An aperture stop SA is disposed on the object side of the lens LA4.

撮像光学系Bの広角レンズは、レンズLB1〜LB3により構成される「前群」、反射部材を構成する直角プリズムPB、レンズLB4〜LB7により構成される「後群」により構成されている。そして、レンズLB4の物体側に開口絞りSBが配置されている。   The wide-angle lens of the imaging optical system B includes a “front group” composed of lenses LB1 to LB3, a right prism PB constituting a reflecting member, and a “rear group” composed of lenses LB4 to LB7. An aperture stop SB is disposed on the object side of the lens LB4.

これら、広角レンズにおいて、「前群」と直角プリズムは「第1レンズ群」をなし、「後群」は「第2レンズ群」をなす。
以下の説明では用語として「前群、直角プリズム、後群」を用いる。
In these wide-angle lenses, the “front group” and the right-angle prism form a “first lens group”, and the “rear group” forms a “second lens group”.
In the following description, the terms “front group, right angle prism, rear group” are used.

撮像光学系Aの広角レンズの、前群を構成するレンズLA1〜LA3は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ(LA1)、プラスチック材料による負レンズ(LA2)、ガラス材料による負のメニスカスレンズ(LA3)である。   The lenses LA1 to LA3 constituting the front group of the wide-angle lens of the imaging optical system A are, in order from the object side, a negative meniscus lens (LA1) made of a glass material, a negative lens (LA2) made of a plastic material, and a negative meniscus made of a glass material. This is the lens (LA3).

後群を構成するレンズLA4〜LA7は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ(LA4)、ガラス材料による両凸レンズ(LA5)と両凹レンズ(LA6)の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ(LA7)である。   The lenses LA4 to LA7 constituting the rear group are, in order from the object side, a biconvex lens (LA4) made of a glass material, a cemented lens of a biconvex lens (LA5) and a biconcave lens (LA6) made of a glass material, and a biconvex lens (LA7 made of a plastic material). ).

撮像光学系Bの広角レンズの、前群を構成するレンズLB1〜LB3は、物体側から順に、ガラス材料による負メニスカスレンズ(LB1)、プラスチック材料による負レンズ(LB2)、ガラス材料による負のメニスカスレンズ(LB3)である。   The lenses LB1 to LB3 constituting the front group of the wide-angle lens of the imaging optical system B are, in order from the object side, a negative meniscus lens (LB1) made of a glass material, a negative lens (LB2) made of a plastic material, and a negative meniscus made of a glass material. This is the lens (LB3).

後群を構成するレンズLB4〜LB7は、物体側から順に、ガラス材料による両凸レンズ(LB4)、ガラス材料による両凸レンズ(LB5)と両凹レンズ(LB6)の張り合わせレンズ、プラスチック材料による両凸レンズ(LB7)である。   The lenses LB4 to LB7 constituting the rear group are, in order from the object side, a biconvex lens (LB4) made of a glass material, a cemented lens of a biconvex lens (LB5) and a biconcave lens (LB6) made of a glass material, and a biconvex lens (LB7 made of a plastic material). ).

これら撮像光学系A、Bにおいて、前群のプラスチック材料による負レンズLA2、LB2、後群のプラスチック材料による両凸レンズLA7、LB7は「両面が非球面」であり、他のガラス材料による各レンズは球面レンズである。   In these imaging optical systems A and B, the negative lenses LA2 and LB2 made of the plastic material of the front group and the biconvex lenses LA7 and LB7 made of the plastic material of the rear group are “aspheric on both surfaces”. It is a spherical lens.

各広角レンズにおける前側主点の位置は、第2レンズLA2、LB2と第3レンズLA3、LB3との間に設定される。   The position of the front principal point in each wide-angle lens is set between the second lenses LA2 and LB2 and the third lenses LA3 and LB3.

撮像光学系Aの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が図1における「d1」であり、撮像光学系Bの広角レンズにおける、前群の光軸と反射面との交点と前側主点との距離が「d2」である。   In the wide-angle lens of the imaging optical system A, the distance between the intersection between the optical axis of the front group and the reflecting surface and the front principal point is “d1” in FIG. 1, and the front-group light in the wide-angle lens of the imaging optical system B The distance between the intersection of the axis and the reflecting surface and the front principal point is “d2”.

これらの距離「d1、d2」を「d」とすると、「d」と焦点距離:fが、条件:
(2) 7.0<d/f<9.0
を満足することにより、広角レンズをコンパクトに、且つ、視差の影響を小さくすることができる。
When these distances “d1, d2” are “d”, “d” and the focal length: f are the conditions:
(2) 7.0 <d / f <9.0
By satisfying the above, the wide-angle lens can be made compact and the influence of parallax can be reduced.

直角プリズムPA、PBは「d線の屈折率が1.8より大きい材質」で形成するのがよい。プリズムPA、PBは、前群からの光を後群に向かって「内部反射」させるので、結像光束の光路はプリズム内を通る。プリズムの材料が上記の如き高屈折率であると、プリズム内の「光学的な光路長」が、実際の光路長より長くなり、光線を屈曲させる距離を広げることが出来、前群・プリズム・後群における「前群と後群の間の光路長」を機械的な光路長よりも長く出来、広角レンズをコンパクトに構成できる。   The right-angle prisms PA and PB are preferably formed of “a material having a refractive index of d-line greater than 1.8”. Since the prisms PA and PB “internally reflect” light from the front group toward the rear group, the optical path of the imaging light beam passes through the prism. When the material of the prism has a high refractive index as described above, the “optical optical path length” in the prism is longer than the actual optical path length, and the distance to bend the light beam can be increased. The “optical path length between the front group and the rear group” in the rear group can be made longer than the mechanical optical path length, and the wide-angle lens can be configured compactly.

また、開口絞りSA、SBの近くにプリズムPA、PBを配置することにより、小さいプリズムを用いるができ、広角レンズ相互の間隔を小さくできる。   Further, by arranging the prisms PA and PB near the aperture stops SA and SB, a small prism can be used, and the distance between the wide-angle lenses can be reduced.

プリズムPA、PBは、前群と後群の間に配置される。広角レンズの前群は、180度より大きい広画角の光線を取り込む機能をもち、後群は結像画像の収差の補正に効果的に機能する。   The prisms PA and PB are disposed between the front group and the rear group. The front group of the wide-angle lens has a function of taking in light rays having a wide angle of view larger than 180 degrees, and the rear group effectively functions to correct aberrations in the formed image.

プリズムを上記の如く配置することにより、プリズムの配置ずれや製造公差の影響を受けにくい。   By arranging the prisms as described above, they are less susceptible to prism misalignment and manufacturing tolerances.

以下、図1に示す広角レンズの具体的な実施例を挙げる。
実施例は、図1に示す全天球型撮像システムの撮像光学系A、Bに用いられる広角レンズであり、撮像光学系A、Bに共に用いられる。即ち、撮像光学系A、Bに用いられる2つの広角レンズは「同一仕様」であり、図に示す距離:d1=d2である。
距離:d1は、撮像光学系Aの広角レンズの「入射瞳とプリズムPAの反射面との光軸上の距離」であり、距離:d2は、撮像光学系Bの広角レンズの「入射瞳とプリズムPBの反射面との光軸上の距離」である。
Specific examples of the wide-angle lens shown in FIG.
The embodiment is a wide-angle lens used for the imaging optical systems A and B of the omnidirectional imaging system shown in FIG. 1, and is used for both the imaging optical systems A and B. That is, the two wide-angle lenses used in the imaging optical systems A and B have “same specifications”, and the distance shown in the figure: d1 = d2.
The distance: d1 is “the distance on the optical axis between the entrance pupil and the reflecting surface of the prism PA” of the wide-angle lens of the imaging optical system A, and the distance: d2 is “the entrance pupil and the distance of the wide-angle lens of the imaging optical system B”. The distance on the optical axis with respect to the reflecting surface of the prism PB.

以下において、fは全系の焦点距離、NoはFナンバ、ωは画角である。   In the following, f is the focal length of the entire system, No is the F number, and ω is the angle of view.

また「面番号」は、物体側から順次1〜23とし、これらはレンズ面、プリズムの入・射出面および反射面、絞りの面、撮像センサのフィルタの面や受光面を示す。   “Surface numbers” are sequentially 1 to 23 from the object side, and indicate a lens surface, a prism entrance / exit surface, a reflecting surface, a diaphragm surface, a filter surface and a light receiving surface of an image sensor.

「R」は、各面の曲率半径であり、非球面に合っては「近軸曲率半径」である。   “R” is the radius of curvature of each surface, and “paraxial radius of curvature” for an aspherical surface.

「D」は面間隔、「Nd」はd線の屈折率、「νd」はアッベ数である。また物体距離は無限遠である。長さの次元を持つ量の単位は「mm」である。   “D” is the surface separation, “Nd” is the refractive index of the d-line, and “νd” is the Abbe number. The object distance is infinite. The unit of the quantity having the dimension of length is “mm”.

「実施例」
f=0.75、No=2.14、ω=190度
面番号 R D Nd νd
1 17.1 1.2 1.834807 42.725324
2 7.4 2.27
3 −1809 0.8 1.531131 55.753858
4* 4.58 2
5* 17.1 0.7 1.639999 60.078127
6 2.5 1.6
7 ∞ 0.3
8 ∞ 5 1.834000 37.160487
9 ∞ 1.92
10 ∞(開口絞り) 0.15
11 93.2 1.06 1.922860 18.896912
12 −6.56 1.0
13 3.37 1.86 1.754998 52.321434
14 −3 0.7 1.922860 18.896912
15 3 0.3
16* 2.7 1.97 1.531131 55.753858
17* −2.19 0.8
18 ∞ 0.4 1.516330 64.142022
19 ∞ 0
20 ∞ 0.3 1.516330 64.142022
21 ∞ 0.3
22 撮像面 。
"Example"
f = 0.75, No = 2.14, ω = 190 degrees Face number R D Nd νd
1 17.1 1.2 1.834807 42.725324
2 7.4 2.27
3-1809 0.8 1.531131 55.753858
4 * 4.58 2
5 * 17.1 0.7 1.639999 60.78127
6 2.5 1.6
7 ∞ 0.3
8 ∞ 5 1.834000 37.160487
9 ∞ 1.92
10 ∞ (aperture stop) 0.15
11 93.2 1.06 1.922860 18.896912
12-6.56 1.0
13 3.37 1.86 1.754998 52.321434
14-3 0.7 1.922860 18.896912
15 3 0.3
16 * 2.7 1.97 1.531131 55.753858
17 * -2.19 0.8
18 ∞ 0.4 1.516330 64.142202
19 ∞ 0
20 ∞ 0.3 1.516330 64.142202
21 ∞ 0.3
22 Imaging surface.

非球面
上のデータで「*」印を付した面(前群の第2レンズの両面、および、後群の最終レンズの両面)は非球面である。
Aspherical
The surfaces marked with “*” in the above data (both surfaces of the second lens in the front group and both surfaces of the final lens in the rear group) are aspherical surfaces.

非球面形状は、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率):C、光軸からの高さ:H、円錐定数:K、上記各次数の非球面係数を用い、Xを光軸方向における非球面量として、周知の式
X=CH/[1+√{1−(1+K)C}]
+A4・H+A6・H+A8・H+A10・H10+A12・H12+A14・H14
で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定する。
The aspherical shape is a reciprocal of the paraxial radius of curvature (paraxial curvature): C, height from the optical axis: H, conic constant: K, and the non-spherical coefficients of the above orders, where X is the non-axis in the optical axis direction. As a spherical quantity, the well-known formula X = CH 2 / [1 + √ {1− (1 + K) C 2 H 2 }]
+ A4 · H 4 + A6 · H 6 + A8 · H 8 + A10 · H 10 + A12 · H 12 + A14 · H 14
The shape is specified by giving a paraxial radius of curvature, a conic constant, and an aspherical coefficient.

上記実施例の非球面データを以下に挙げる。   The aspherical data of the above example is given below.

第3面
4th:0.001612
6th:-5.66534e-6
8th:-1.99066e-7
10th:3.69959e-10
12th:6.47915e-12
第4面
4th:-0.00211
6th:1.66793e-4
8th:9.34249e-6
10th:-4.44101e-7
12th:-2.96463e-10
第16面
4th:-0.006934
6th:-1.10559e-3
8th:5.33603e-4
10th:-1.09372e-4
12th:1.80753-5
14th:-1.52252e-7
第17面
4th:0.041954
6th:-2.99841e-3
8th:-4.27219e-4
10th:3.426519e-4
12th:-7.19338e-6
14th:-1.69417e-7
上記非球面の表記において例えば「-1.69417e-7」は「-1.69417×10-7」を意味する。
また、「4th〜14th」は、それぞれ「A4〜A14」である。
Third side
4th: 0.001612
6th: -5.66534e-6
8th: -1.99066e-7
10th: 3.69959e-10
12th: 6.47915e-12
4th page
4th: -0.00211
6th: 1.66793e-4
8th: 9.34249e-6
10th: -4.44101e-7
12th: -2.96463e-10
16th page
4th: -0.006934
6th: -1.10559e-3
8th: 5.33603e-4
10th: -1.09372e-4
12th: 1.80753-5
14th: -1.52252e-7
17th page
4th: 0.041954
6th: -2.99841e-3
8th: -4.227219e-4
10th: 3.426519e-4
12th: -7.19338e-6
14th: -1.69417e-7
In the above aspherical notation, for example, “-1.69417e-7” means “-1.69417 × 10 −7 ”.
“4th to 14th” is “A4 to A14”, respectively.

実施例の広角レンズにおいて「d1=d2=d=6mm」である。また、f=0.75mmであるから、d/f=8であって、上記条件(2)を満足する。
また、最も物体側のレンズ面から直角プリズムの反射面までの距離:DA、該反射面から最も像側のレンズ面までの距離:DBは、
DA=8.87
DB=14.76
であり、距離:DA+DBにより「広角レンズの性能に必要なレンズ全長」を確保しつつ、距離:D1をD2よりも短くすることにより、前群の「最も物体側のレンズ面」同士の距離を短くして、図10に示した例と同様「より近距離までの全天球画像」を得ることができるようになっている。
In the wide-angle lens of the example, “d1 = d2 = d = 6 mm”. Since f = 0.75 mm, d / f = 8, which satisfies the above condition (2).
Further, the distance from the lens surface closest to the object side to the reflecting surface of the right-angle prism: DA, the distance from the reflecting surface to the lens surface closest to the image side: DB,
DA = 8.87
DB = 14.76
The distance: D + DB while securing the “lens total length necessary for the performance of the wide-angle lens”, while making the distance: D1 shorter than D2, the distance between the “most object side lens surfaces” of the front group can be reduced. As in the example shown in FIG. 10, a “global image up to a closer distance” can be obtained by shortening the length.

なお、広角レンズとして、光路を折り曲げないものを平行に用いる場合(図9に示す構成で、R1=20mm、L1=229mm)に比して、上記実施例の広角レンズを図1のように組み合わせたものでは、R=11mm、L=126mmとすることができた。   Note that the wide-angle lens of the above embodiment is combined as shown in FIG. 1 as compared with a case where a wide-angle lens that does not bend the optical path is used in parallel (R1 = 20 mm, L1 = 229 mm in the configuration shown in FIG. 9). In this case, R = 11 mm and L = 126 mm could be achieved.

画角180度を超える広角レンズでは、レンズ中心を通る光線と周辺を通る光線では、レンズ肉厚の差で光路長が変わり、性能劣化につながる。
実施例の広角レンズでは、前群の3枚のレンズのうち、第2レンズに「光軸近傍と周辺とのレンズ肉厚の差」が出やすい。それで、該第2レンズをプラスチックレンズとして両面を非球面とすることにより補正を行っている。
In a wide-angle lens having an angle of view exceeding 180 degrees, the optical path length varies depending on the difference in lens thickness between the light beam passing through the center of the lens and the light beam passing through the periphery, leading to performance degradation.
In the wide-angle lens of the example, among the three lenses in the front group, the “second lens difference in the lens thickness between the vicinity of the optical axis and the periphery” tends to appear in the second lens. Therefore, correction is performed by using the second lens as a plastic lens and making both surfaces aspherical.

また、後群の最終レンズをプラスチックレンズとし、その両面を非球面とすることにより「このレンズよりも物体側で発生する諸収差」を良好に補正するようにしている。   Further, the last lens in the rear group is a plastic lens, and both surfaces thereof are aspherical so that “various aberrations occurring on the object side of this lens” can be corrected satisfactorily.

また、後群の4枚のレンズのうち、2番目の両凸レンズと3番目の両凹レンズを接合することにより「色収差」を良好に補正している。   Further, among the four lenses in the rear group, “chromatic aberration” is favorably corrected by cementing the second biconvex lens and the third biconcave lens.

実施例の広角レンズの球面収差図を、図2に示す。また、像面湾曲の図を図3に示す。   FIG. 2 shows a spherical aberration diagram of the wide-angle lens of the example. Further, FIG. 3 shows a view of the field curvature.

図4には、コマ収差図を示す。   FIG. 4 shows a coma aberration diagram.

図5、図6は、OTF特性を示す図であり、横軸は、図5が「空間周波数」、図6が半画角を「度」で表している。   5 and 6 are diagrams showing the OTF characteristics. In FIG. 5, the horizontal axis represents “spatial frequency” in FIG. 5 and FIG. 6 represents the half angle of view in “degrees”.

これらの図から明らかなように、実施例の広角レンズは性能が極めて高い。   As is clear from these figures, the wide-angle lens of the example has extremely high performance.

実施例の広角レンズは、上記の如く「全画角」が、180度より大きい190度となっており「単位画角あたりの倍率」が、画角:0から180度までは単調増加している。   In the wide-angle lens of the embodiment, as described above, the “total angle of view” is 190 degrees larger than 180 degrees, and the “magnification per unit angle of view” monotonically increases from 0 to 180 degrees. Yes.

図7は、画角:0から180度までの倍率の単調増加による「固体撮像素子の受光面上での画角広がり」を説明図的に示している。
「画角;0〜180°(半画角0〜90°)」までは30度刻みに「同一画角線」を描いてある。画角が増大すると共に、固体撮像素子の使用するセンサ領域(同心円の幅)が大きくなっている様子が分かる(図中の黒丸の大きさを参照)。即ち、画角:0〜180度の範囲では、単位画角あたりの倍率は単調増加している。
一方、画角180度〜190度の範囲は、「2つの撮像光学系の撮像画像の繋ぎ」として画像を利用する程度であるため、画角180度近傍の使用センサ領域に比べ、同心円の幅が狭くなっている。即ち、単位画角あたりの倍率は、この領域で小さくなっている。
FIG. 7 illustrates the “angle of view spread on the light-receiving surface of the solid-state imaging device” due to a monotonically increasing magnification from 0 to 180 degrees.
“Same angle of view” is drawn in increments of 30 degrees until “view angle: 0 to 180 ° (half angle of view 0 to 90 °)”. As the angle of view increases, it can be seen that the sensor area (width of concentric circles) used by the solid-state imaging device is increased (see the size of the black circles in the figure). That is, in the range of angle of view: 0 to 180 degrees, the magnification per unit angle of view increases monotonously.
On the other hand, the range of the angle of view of 180 degrees to 190 degrees is such that the image is used as “the connection between the two captured optical systems”, and therefore the width of the concentric circle is larger than the sensor area used near the angle of view of 180 degrees. Is narrower. That is, the magnification per unit angle of view is small in this region.

図8は、実施例の広角レンズの「単位画角あたりの倍率」の変化と、dY/dθとの変化を示している。「単位画角あたりの倍率」は図中に「投射方式」と表記されている。
横軸は半画角(0〜100度)を示し、縦軸は右側dY/dθ、左側が像高(Y)を示している。
FIG. 8 shows changes in “magnification per unit angle of view” and changes in dY / dθ of the wide-angle lens of the example. “Magnification per unit angle of view” is described as “projection method” in the figure.
The horizontal axis indicates the half field angle (0 to 100 degrees), the vertical axis indicates the right dY / dθ, and the left side indicates the image height (Y).

図8から明らかなように、実施例の広角レンズは、単位画角あたりの倍率が、画角:0から90度(=360/2)まで単調に増加し、それ以上の画角では増加率が単調減少して「増加の程度が緩やか」になっており、dY/dθは、条件(1)を満足している。   As is clear from FIG. 8, in the wide-angle lens of the example, the magnification per unit angle of view monotonously increases from 0 to 90 degrees (= 360/2), and the rate of increase at a larger angle of view. Monotonically decreases and the degree of increase is moderate, and dY / dθ satisfies the condition (1).

なお、上に説明した例では、全天球型の撮像システムに用いる2つの結像光学系(広角レンズ)を「同一仕様」としたが、必ずしもこれに限らず、光学的特性が同様のものであればよい。   In the example described above, the two imaging optical systems (wide-angle lenses) used in the omnidirectional imaging system have “same specifications”. However, the present invention is not limited to this, and the optical characteristics are the same. If it is.

また、複数の固体撮像素子の撮像した画像を1つの画像として合成するのに、隣接画像の繋ぎあわせを、撮像光学系相互の位置関係の情報に基づいて行なうことも可能であるが、上の例のように「画角:180度〜190度までの画像」を、画像をつなぎ合わせる際の基準データと使用でき、これにより、環境温度により2つの撮像光学系の相対位置関係が変動した場合においても「画像を正確に繋ぎ合わせる」ことができる。   Further, in order to combine images captured by a plurality of solid-state image sensors as one image, it is possible to connect adjacent images based on information on the positional relationship between the imaging optical systems. As in the example, “Angle of view: 180 ° to 190 °” can be used as reference data when joining the images, and this changes the relative positional relationship between the two imaging optical systems due to the ambient temperature. Can also "join images accurately".

また、実施例の広角レンズのように、反射部材としてプリズムを用いることで、反射部材にレンズとしての機能を持たせることができ、全天球型の撮像システムの幅を小さくできる。   Further, by using a prism as the reflecting member as in the wide-angle lens of the embodiment, the reflecting member can have a function as a lens, and the width of the omnidirectional imaging system can be reduced.

A 撮像光学系
B 撮像光学系
LA1〜LA7 レンズ
LB1〜LB7 レンズ
PA、PB プリズム
SA、SB 開口絞り
SNA、SNB、SNC、SND 固体撮像素子
A Imaging optical system
B Imaging optical system
LA1-LA7 lens
LB1-LB7 lens
PA, PB prism
SA, SB Aperture stop SNA, SNB, SNC, SND Solid-state image sensor

特開2006−098942号公報JP 2006-089442 A

Claims (2)

複数の光学系を有する全天球型光学系であって、
単位画角あたりの倍率が画角とともに単調増加する立体投射方式の、それぞれの前記光学系に入射する被写体像が重複しない画角領域と、
前記立体投射方式の画角領域より外側の画角領域であって、単位画角あたりの倍率の増加率が単調減少する、前記被写体像が重複する画角領域と、を含む全天球型光学系。
An omnidirectional optical system having a plurality of optical systems,
An angle of view area in which the subject images incident on the respective optical systems do not overlap each other in a stereoscopic projection method in which the magnification per unit angle of view monotonously increases with the angle of view;
Wherein an outer viewing angle area than viewing angle area of the stereoscopic projection system, the rate of increase in magnification per unit view angle monotonically decreases, omnidirectional optical comprising: a field angle region in which the object image is overlapped system.
請求項1に記載の全天球型光学系を用いて4πラジアンの立体角内の撮像対象の撮像を行う撮像装置。 An imaging apparatus for imaging an imaging target within a solid angle of 4π radians using the omnidirectional optical system according to claim 1.
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